黑磷是一種單元素二維層狀半導(dǎo)體材料,具有p型導(dǎo)電占主導(dǎo)的雙極導(dǎo)電特性,室溫下空穴場(chǎng)效應(yīng)遷移率達(dá)1000 cm~2/V×s,遠(yuǎn)大于二硫化鉬等過渡金屬硫族化合物。黑磷是一種直接帶隙半導(dǎo)體,且?guī)洞笮‰S層數(shù)可調(diào),體材料帶隙約為0.3 eV,單層帶隙為1.73 eV,填補(bǔ)了二維材料體系中從零帶隙石墨烯到寬帶隙過渡金屬硫族化合物之間的帶隙空缺。此外,黑磷還具有面內(nèi)各向異性,這些優(yōu)異的特性為黑磷在未來高性能電子和光電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本文主要基于二維層狀半導(dǎo)體材料黑磷,制備出一系列高性能電子器件,對(duì)黑磷的基本材料與器件輸運(yùn)特性進(jìn)行了詳細(xì)研究,并采取了多種方法來提升黑磷器件性能,主要包括以下幾個(gè)方面:一、黑磷背柵器件制備及界面優(yōu)化:制備了基于高κ柵介質(zhì)HfO_2的黑磷背柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管,研究了黑磷與柵介質(zhì)的界面特性及在低溫/高場(chǎng)下的輸運(yùn)特性,并和基于SiO_2的黑磷晶體管性能進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)基于HfO_2的黑磷晶體管相較于SiO_2具有更好性能,其中場(chǎng)效應(yīng)遷移率、開態(tài)電流密度和飽和速度提升了50%,界面陷阱密度減小約8倍,且在所有溫度條件下均優(yōu)于基于SiO_2的黑磷晶體管�；贖fO_2的100 nm溝長(zhǎng)黑磷晶體管,在低溫20 K下開態(tài)電流密度高達(dá)906mA/mm,其飽和速度為1.1×10~7cm/s,為論文發(fā)表時(shí)電流密度最高的黑磷晶體管。這些結(jié)果表明高κ介質(zhì)HfO_2可以有效降低黑磷溝道與柵介質(zhì)的界面散射,也表明黑磷材料具有優(yōu)異的電流承載能力及高場(chǎng)輸運(yùn)特性。二、黑磷射頻器件制備及結(jié)構(gòu)優(yōu)化:黑磷在大氣環(huán)境中不穩(wěn)定,利用原子層沉積的HfO_2和電子束蒸發(fā)的Al_2O_3,對(duì)黑磷表面進(jìn)行鈍化,兩者都可以提高黑磷在空氣中的穩(wěn)定性�；谶@兩種柵介質(zhì),我們制備了黑磷頂柵射頻場(chǎng)效應(yīng)晶體管,并比較了兩者的射頻特性。基于原子層沉積HfO_2的黑磷射頻晶體管,其截止頻率f_T=2.2GHz,最大振蕩頻率f_(max)=8 GHz。基于電子束蒸發(fā)Al_2O_3的黑磷射頻晶體管,其截止頻率f_T=3 GHz,最大振蕩頻率f_(max)=12 GHz,性能提升約50%。為繼續(xù)提高黑磷晶體管的射頻特性,我們?cè)O(shè)計(jì)了新穎的嵌入柵結(jié)構(gòu),有效地避免了沉積柵介質(zhì)時(shí)對(duì)黑磷溝道的影響�；谇度霒沤Y(jié)構(gòu)的黑磷晶體管,其直流特性與背柵晶體管性能相當(dāng),射頻特性也得到大幅提升,常溫下截止頻率f_T=8 GHz,最大振蕩頻率f_(max)=17 GHz。在低溫20 K下,其截止頻率f_T=13.5 GHz,最大振蕩頻率f_(max)=31 GHz,是目前文獻(xiàn)報(bào)道的黑磷射頻器件的最大值。在嵌入柵射頻晶體管的基礎(chǔ)上,首次實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行頻率達(dá)2 GHz的混頻器。三、黑磷/砷化銦異質(zhì)結(jié)隧穿器件:通過理論分析,載流子有效質(zhì)量小、禁帶寬度窄的直接帶隙半導(dǎo)體材料有利于帶間隧穿,而由電子親和勢(shì)不同的材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)可有效降低隧穿勢(shì)壘高度,進(jìn)一步增大帶間隧穿幾率�；谝陨戏治�,我們把新型二維材料黑磷與傳統(tǒng)三五族材料砷化銦結(jié)合,構(gòu)建出垂直堆疊的異質(zhì)結(jié)隧穿器件。這兩種材料均為窄直接帶隙半導(dǎo)體,載流子有效質(zhì)量小,導(dǎo)電類型互補(bǔ),且兩者在界面形成裂隙型能帶,滿足帶間隧穿條件。黑磷/砷化銦異質(zhì)結(jié)隧穿晶體管相較于黑磷晶體管,常溫下亞閾值擺幅提升120%,并呈現(xiàn)出整流特性。在低溫條件下,同時(shí)發(fā)現(xiàn)了負(fù)電阻和負(fù)跨導(dǎo)兩個(gè)量子隧穿現(xiàn)象,并可通過柵極電壓和漏極電壓連續(xù)調(diào)控。利用能帶理論對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的機(jī)理分析,這對(duì)于帶間隧穿晶體管的科學(xué)認(rèn)識(shí)和技術(shù)應(yīng)用具有重要意義。這些結(jié)果提高了我們對(duì)黑磷電子器件物理現(xiàn)象的理解與認(rèn)知,也表明黑磷在未來高性能電子器件領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN386;O613.62
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 選題背景與研究意義
    1.1 二維材料的發(fā)展歷程
    1.2 黑磷材料的基本性質(zhì)
    1.3 黑磷器件的研究進(jìn)展
    1.4 本論文的主要內(nèi)容
2 黑磷器件制備與器件物理
    2.1 黑磷材料制備技術(shù)
    2.2 黑磷器件制備流程
    2.3 黑磷器件測(cè)試方法
    2.4 MOSFET器件物理
    2.5 本章小結(jié)
3 基于高κ柵介質(zhì)的黑磷器件
    3.1 黑磷器件界面優(yōu)化
    3.2 黑磷雙極性電路
    3.3 黑磷各向異性
    3.4 本章小結(jié)
4 黑磷射頻器件
    4.1 黑磷頂柵射頻器件
    4.2 黑磷嵌入柵射頻器件
    4.3 黑磷混頻器
    4.4 本章小結(jié)
5 黑磷/砷化銦異質(zhì)結(jié)器件
    5.1 帶間隧穿器件的基本原理
    5.2 黑磷/砷化銦異質(zhì)結(jié)的制備
    5.3 黑磷/砷化銦異質(zhì)結(jié)電學(xué)特性
    5.4 本章小結(jié)
6 總結(jié)與展望
    6.1 本文總結(jié)
    6.2 下一步的工作和展望
致謝
參考文獻(xiàn)
附錄 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄

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